冬天，當(dāng)我們躺在暖暖的被窩里，會(huì)覺得不那么冷了；而起床時(shí)，要穿上厚厚的棉拖，否則，冰涼的瓷磚，會(huì)傳來刺骨的冷。為什么棉被和瓷磚會(huì)帶給我們?nèi)绱瞬煌母惺苣兀?/span>這一切都是由于材料的一個(gè)重要的物理參量-熱導(dǎo)率，其對(duì)材料的研究有著重要意義。

以陶瓷材料為例，其導(dǎo)熱性能，與其化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)、密度、燒結(jié)工藝等因素有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，通過特定方法增加陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，將會(huì)提高其熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的能力，制備得到具有對(duì)熱能強(qiáng)吸收、高存儲(chǔ)、強(qiáng)散熱及高導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷材料，進(jìn)一步拓展陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。下文中，小編簡(jiǎn)要介紹陶瓷材料熱導(dǎo)率的影響因素及提高熱導(dǎo)率方法。

一、陶瓷材料熱導(dǎo)率影響因素

1、化學(xué)組成

普通陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)是（0.02～1.5）W/（m·K）。在實(shí)際應(yīng)用中，低的導(dǎo)熱系數(shù)陶瓷材料遠(yuǎn)不能滿足節(jié)能、高效及特殊性能的需求。組分摻雜是提高陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)的一種重要方法。這種方法按摻雜組分性質(zhì)的不同可以分為兩種：添加非金屬材料或者添加金屬材料。

圖1  氮化鋁陶瓷基板材料

在電子封裝材料應(yīng)用領(lǐng)域，通過氮化鋁陶瓷復(fù)合粉體制備氮化鋁（AlN）為主的特種陶瓷，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到210W/(m.k)，是氧化鋁陶瓷導(dǎo)熱效率的5-8倍，能耐2200℃以上的高溫。具有熱導(dǎo)率高、機(jī)械性能穩(wěn)定強(qiáng)和優(yōu)秀的電氣絕緣性能，具有極高的絕緣電阻和低的介質(zhì)損耗，是新一代大規(guī)模集成電路以及功率電子產(chǎn)品的理想導(dǎo)熱陶瓷材料。

2、原料粉體顆粒尺寸

原料粉體的粒度、純度、物相會(huì)對(duì)陶瓷材料的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)顆粒尺寸越大時(shí)，陶瓷的致密化過程延遲會(huì)越明顯，在陶瓷的制備過程中，陶瓷內(nèi)部不可避免地會(huì)出現(xiàn)氣孔，一般氣孔越多，材料的熱傳導(dǎo)性能相應(yīng)會(huì)提高。

當(dāng)陶瓷粉體顆粒尺寸下降至納米級(jí)別時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)將隨之降低。納米微粒的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)改變了材料本身的性質(zhì)。晶粒尺寸減小、分布變窄，晶界與氣孔的分離區(qū)減小以及燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長(zhǎng)，陶瓷體晶粒分布均勻。因此，當(dāng)粉體顆粒尺寸較小時(shí)，陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)將隨著顆粒尺寸下降而減小。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，適當(dāng)控制原料粉體顆粒尺寸，能夠改善陶瓷材料的熱傳性能。

圖2  熱導(dǎo)率測(cè)試儀器（美國(guó)Anter（TA）FL4010）

3、氣孔

在氣孔率相同的條件下，氣孔尺寸越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大。互相連通型的氣孔比封閉型氣孔的導(dǎo)熱系數(shù)高。封閉氣孔率越高，則導(dǎo)熱系數(shù)越低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：氣孔的尺寸越大，氣孔內(nèi)氣體對(duì)流和孔壁之間的輻射傳熱就會(huì)越大。這與材料的密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響剛好相反。雖然如此，統(tǒng)籌兩種方法的效果后，可以同時(shí)采取兩種措施來改進(jìn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在對(duì)多孔陶瓷的研究中，人們還得出：當(dāng)氣孔尺寸小于4μm時(shí)，材料內(nèi)部的對(duì)流傳熱可以忽略。

此外，在多孔陶瓷中，對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)等熱量傳遞方式都存在。因此，在對(duì)陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)綜合考慮氣孔的孔徑大小、分布情況和連通方式。

4、組織結(jié)構(gòu)

陶瓷材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是影響其導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素。內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要是由材料的聲子導(dǎo)熱機(jī)理決定的。為了增加材料的導(dǎo)熱性，可以向材料內(nèi)部引入一些能夠提高其導(dǎo)熱性的物料。考慮到這些材料在陶瓷制備過程中可能與原有物質(zhì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而對(duì)陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以及由于這些物料的加入有可能引起的陶瓷內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)。因此，對(duì)添加其它相的陶瓷的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行討論是十分必要的。陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)在很大程度上取決于填充劑的導(dǎo)熱性能以及其在陶瓷制備過程中形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

例如，在多孔陶瓷中，沿氣孔表面分布的雜質(zhì)，如雜質(zhì)原子、晶格缺陷等，會(huì)隨著陶瓷內(nèi)部熱量的釋放，從氣孔的熱端遷移到冷端，并且在氣孔表面析出。這個(gè)過程將對(duì)陶瓷材料的熱吸收過程產(chǎn)生重大影響，從而進(jìn)一步影響材料的熱傳遞性能。

圖3  多孔陶瓷SEM圖

5、燒結(jié)工藝

在陶瓷制造工藝過程中，燒結(jié)是最重要的工序之一。該過程將影響坯體的一系列物理化學(xué)變化，并影響成品的顯微結(jié)構(gòu)和礦物組成。在燒結(jié)過程中，陶瓷組成成分的不同將發(fā)生不同的變化。在燒結(jié)過程中溫度的高低、時(shí)間的長(zhǎng)短、升降溫速度、最高燒成溫度以及保溫時(shí)間都會(huì)影響陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

二、陶瓷材料熱導(dǎo)率的提高方法

陶瓷材料熱導(dǎo)率的提高方法主要有組分摻雜、控制原料粉體尺寸和改善陶瓷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的提高是多種變量綜合作用的結(jié)果。

1、組分摻雜

為了提高陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，則需要提高陶瓷材料的純度，盡量不添加或少添加外加劑，但為了提高材料的密度和控制晶粒大小，添加一定量的外加劑還是必要的，還可以適量摻雜一些具有高導(dǎo)熱系數(shù)的非金屬（Al₂O₃、Fe₂O₃等）、金屬（如Cu等）以及在陶瓷表面負(fù)載特定有機(jī)物形成高導(dǎo)熱復(fù)合材料。

中科學(xué)院上海硅酸鹽所通過組分摻雜，開發(fā)的高熱導(dǎo)率低溫共燒陶瓷材料具有較高的熱導(dǎo)率（18.8 W/m?K），是現(xiàn)有商業(yè)化應(yīng)用中的LTCC基板材料熱導(dǎo)率的4倍。除此之外，本材料還繼承了LTCC材料的所有優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)低溫下的致密燒結(jié)（850oC）。在材料組成和結(jié)構(gòu)上可靈活設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無源元件集成和熱、電分離管理。另外，該材料還具有和硅材料相匹配的熱膨脹系數(shù)（4.4），低的介電常數(shù)（6.5）和介電損耗（0.0016），硬度小易切割，適合于電子元器件、功能模塊等的封裝基板應(yīng)用需求。

圖3  高熱導(dǎo)率低溫共燒氧化鋁陶瓷材料制備工藝流程

2、控制顆粒尺寸

當(dāng)原料顆粒尺寸下降至納米級(jí)別時(shí)，陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，適當(dāng)控制顆粒尺寸可使其導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加。此外提高陶瓷材料的密度，減少氣孔和玻璃相，使其盡量接近理論密度，也可提高陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

3、改善陶瓷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)

陶瓷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響較復(fù)雜，內(nèi)部熱傳遞方式根據(jù)不同情況有多種，例如陶瓷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的互相連通型的氣孔比封閉型氣孔的導(dǎo)熱系數(shù)高。封閉氣孔率越高，則導(dǎo)熱系數(shù)越低。其他組分的添加有可能在陶瓷的燒成過程中改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響陶瓷性能。在某種情況下，選擇采取措施改變陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以滿足特定的功能需要。氣孔的連通方式、原料顆粒尺寸的大小、如微裂紋等內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)都將會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)有重大影響。

內(nèi)部缺陷和顯微結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要是由材料的聲子導(dǎo)熱機(jī)理決定的。各類缺陷都是引起聲子散射的中心，這些缺陷都會(huì)減小聲子平均自由程和導(dǎo)熱系數(shù)。氮化硅陶瓷的傳熱機(jī)制為聲子傳熱，當(dāng)晶格完整無缺陷時(shí)，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低，因此降低晶格氧含量是提高氮化硅熱導(dǎo)率的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

1、瞿志學(xué)，王群，張延超，燒結(jié)方法對(duì)AlN陶瓷微觀相貌及熱導(dǎo)率的影響。

2、鞠銀燕，宋士華，陳曉峰，多孔陶瓷的制備、應(yīng)用及其研究進(jìn)展．硅酸鹽通報(bào)。

作者：樂心